JP3138831B2

JP3138831B2 - 半導体非線型光学装置

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Publication number: JP3138831B2
Application number: JP28972891A
Authority: JP
Inventors: 芳弘杉山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 2001-02-26
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JPH0527283A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光・光スイッチ装置，
光双安定装置，光メモリ装置等に用いる半導体非線型光
学装置に関する。近年、超高周波領域、例えば、ピコ秒
領域（１０^-12秒）から、サブピコ秒領域（＜１０^-12
秒）で作動する光・光スイッチ装置、光双安定装置、光
・光メモリ装置等の実現が要望されている。

【０００２】この要望に応え得るものとして、例えば、
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ量子井戸構造をもつＴＢＱ（Ｔｕｎ
ｎｅｌｉｎｇＢｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）を誘
電体多層膜鏡でサンドウィッチした構造の半導体非線型
光学装置が実現されたことが報告され（例えば、Ａ．Ｍ
ｉｇｕｓｅｔａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔ
ｔ．４６（１９８５）ｐｐ．７０〜７２参照）、具体的
な半導体非線型光学装置も既に提案されている（例え
ば、特開平２−２１０３３２号公報）。

【０００３】

【従来の技術】図７（Ａ），（Ｂ）は、従来の半導体非
線型光学装置の一例の説明図である。この図において、
６１は小さいエネルギバンドギャップＥｇ₁を有する第
１の物質層、６２は大きいエネルギバンドギャップＥｇ
₂を有する第２の物質層、６３は小さいエネルギバンド
ギャップＥｇ₃を有する第３の物質層、６４は積層体、
Ｌ₁は第１の物質層６１中の電子の量子準位、Ｌ₃は第
３の物質層６３中の電子の量子準位、Ｌ₁’は第１の物
質層６１中の正孔の量子準位、Ｌ₃’は第３の物質層６
３中の正孔の量子準位、Ｅ_Cは伝導帯、Ｅ_Fはフェルミ
準位、Ｅ_Vは価電子帯、ｈν₁は被動作光のエネルギ、
ｈν₂は動作光のエネルギ、Ｉ₁は被動作光、Ｉ₂は動
作光Ｉ₃は透過光である。

【０００４】この半導体非線型光学装置は、図７（Ａ）
に示されているように、異なるエネルギバンドギャップ
を有する２種類の物質層が交互に積層された超格子構造
を有している。

【０００５】すなわち、この超格子構造は、大きいエネ
ルギバンドギャップＥｇ₂を有する第２の物質層６２
と、小さいエネルギバンドギャップＥｇ₁を有する第１
の物質層６１と、大きいエネルギバンドギャップＥｇ₂
を有する第２の物質層６２と、小さいエネルギバンドギ
ャップＥｇ₃を有する第３の物質層６３からなる単位構
造を複数周期積層された構造を有しており、小さいエネ
ルギバンドギャップＥｇ ₁を有する第１の物質層６１と
小さいエネルギバンドギャップＥｇ₃を有する第３の物
質層６３として共にＧａＡｓを用い、大きいエネルギバ
ンドギャップＥｇ ₂を有する第２の物質層６２としてＡ
ｌ_0.51Ｇａ_0.49Ａｓが用いられている。

【０００６】この場合は、第１の物質層６１と第３の物
質層６３が共にＧａＡｓであるからそれらのエネルギバ
ンドギャップＥｇ₁，Ｅｇ₃は等しい。そして、小さい
エネルギバンドギャップＥｇ₁を有する第１の物質層６
１と第３の物質層６３の層厚を、二次元励起子が存在し
うる層厚である２８０Å以下にすることが必要である
が、上記の場合は、第１の物質層６１の層厚を４５Åと
し、第３の物質層６３の層厚を９０Åにしている。

【０００７】また、大きいエネルギバンドギャップＥｇ
₂を有する第２の物質層６２の層厚は、小さいエネルギ
バンドギャップＥｇ₁を有する第１の物質層６１中で励
起された自由電子や正孔、および、励起子がイオン化し
て発生した自由電子と正孔がトンネルできるように４０
Åにしている。

【０００８】図７（Ｂ）は、上記の従来の半導体非線型
光学装置の超格子構造のエネルギバンド構造を示してい
る。上記の半導体非線型光学装置においては、電子は伝
導帯Ｅ_Cよりも上に離散的な複数の量子準位を形成する
が、ここではそれらのうち最低の量子準位Ｌ₁，Ｌ ₃を
示している。

【０００９】一方、超格子構造の量子井戸中の電子の量
子準位のエネルギーΔＥｎは、伝導帯の底Ｅ_Cを基準に
した場合には近似的に次式で表されることが従来から知
られている。 ΔＥｎ＝ｈ²／８ｍ・（ｎ／Ｌ）² ただし、ｎは整数、ｍは電子の有効質量、ｈはプランク
定数、Ｌは量子井戸を形成する物質の層厚である。ま
た、正孔の量子準位についても同様の関係があり、要す
るに、量子井戸の幅が減少するとともに、電子および正
孔の量子準位が伝導帯または価電子帯の底から上昇す
る。

【００１０】上記の半導体非線型光学装置においては、
第１の物質層６１の層厚を４５Åとし、第３の物質層６
３の層厚を、それよりも広い９０Åとしているため、前
記の関係から、第３の物質層６３中の電子の量子準位Ｌ
₃は第１の物質層６１中の量子準位６１より低く、第３
の物質層６３中の正孔の量子準位Ｌ₃’は第１の物質層
６１中の量子準位Ｌ₁’より低くなっている。

【００１１】そして、このような量子井戸では上記の量
子準位から、次式で表される値だけ低エネルギ側に励起
子準位が形成され、この準位に電子と正孔がクーロン相
互作用により束縛されている状態である励起子を形成す
ることも従来から知られている。（８μｅ⁴π²）／ｋ²・ｈ² ただし、μは電子と正孔の換算質量、ｋはエネルギバン
ドギャップが小さい第１の物質の誘電率、ｈはプランク
定数、ｅは電子の電荷である。

【００１２】上記の超格子構造を反射鏡で挟んで光共振
器構造にした半導体非線型光学装置に、励起子の共鳴準
位近傍のエネルギｈν₁をもつ被動作光Ｉ₁を照射し、
ｍλ／２＝ｎＬ（ここでは、ｍは整数、Ｌは積層体Ｍの
層厚、ｎは積層体Ｍの屈折率である。）の関係が成立し
ていると、上記構成の半導体非線型光学装置の被動作光
Ｉ₁に対する吸収率は小さくなり、被動作光Ｉ₁はこの
非線型光学装置を透過して透過光Ｉ₃として出射する。

【００１３】この状態で、この半導体非線型光学装置に
自由電子または励起子を励起しうるエネルギーｈν₂を
もつ動作光Ｉ₂を被動作光に加えて照射すると、自由電
子によって励起子のクーロン相互作用が遮蔽されるた
め、あるいは、動作光Ｉ₂によって励起された励起子の
存在のために励起子の形成が阻害され、超格子構造の屈
折率が変化して、上記の共振条件が成立しなくなる。

【００１４】その結果、被動作光Ｉ₁に対する吸収率が
大きくなり、被動作光Ｉ₁は半導体非線型光学装置を透
過し難くなる。そして、この動作光Ｉ₂の照射を停止す
ると、初期の共振条件に戻るため再び透過率は上昇す
る。このように、動作光Ｉ₂を照射したり、照射を停止
したりすることによって、被動作光Ｉ₁の透過、非透過
を制御することができ、光・光スイッチ等として使用で
きる。

【００１５】また、上に説明した動作とは逆に、半導体
非線型光学装置に動作光Ｉ₂を照射しないときに、（ｍ
＋１）λ／２＝ｎＬの関係を成立させて非共振条件を成
立させて、被動作光を不透過状態にしておき、動作光Ｉ
₂を照射することによって共振条件を成立させて、被動
作光Ｉ₁を不透過状態から透過状態に変換することも可
能である。

【００１６】上記の動作光Ｉ₂の照射による狭い量子井
戸の励起子の励起、あるいは、自由電子の励起による超
格子層の屈折率の変化は原理上極めて高速であり、また
励起された自由電子は電位障壁をトンネルして広い量子
井戸に高速で移動してここで消滅するため、この現象だ
けを考えると超格子層の屈折率の始状態への回復は極め
て速いものとなる。

【００１７】図８は、半導体非線型光学装置の透過率応
答特性図である。この図は、半導体非線型光学装置に動
作光Ｉ₂を照射しないときに不透過状態としておき、動
作光Ｉ₂の照射によって共振条件を成立させて透過状態
に変換する場合の特性を表している。

【００１８】この図には、従来例と本発明の特性が示さ
れているが、ここでは、実線の従来例の特性に着目す
る。従来例の特性は、動作光として１００ｆｓｅｃの光
パルスを用いた場合であるが、動作光の照射による透過
率の立ち上がり変化は極めて速く、動作光の照射時点で
ある時間軸の０から急速に立ち上がることが観察され
る。

【００１９】しかし、この図によると、動作光の照射に
よる透過率の立ち上がり変化は前記のようにきわめて速
いが、動作光の照射が停止された後は、超格子構造の透
過率が急速に減少せず、緩やかに減少していることが観
察される。その主な原因として、狭い量子井戸を構成す
る第１の物質層６１中の電子は容易に第２の物質層６２
をトンネルして広い量子井戸を構成する第３の物質層６
３に移動するが、正孔は有効質量が大きいため第２の物
質層６２を高速でトンネルすることが困難であり、狭い
量子井戸に滞在する時間が電子より長くなることが挙げ
られていた。

【００２０】本発明は、ＴＢＱの動作に係わる軽い正孔
と重い正孔に着目して、半導体非線型光学装置の動作を
高速化することを目的とするものであるが、その前に従
来の半導体非線型光学装置における軽い正孔と重い正孔
の挙動を説明する。

【００２１】図９は、従来のＴＢＱのエネルギバンド構
造図である。この図において、７１は電位障壁、７２は
幅が狭い量子井戸、７３は幅が広い量子井戸、７４は幅
が狭い量子井戸の電子の量子準位、７５ａは幅が狭い量
子井戸の重い正孔の量子準位、７５ｂは幅が狭い量子井
戸の軽い正孔の量子準位、７６は幅が広い量子井戸の電
子の量子準位、７７ａは幅が広い量子井戸の重い正孔の
量子準位、７７ｂは幅が広い量子井戸の軽い正孔の量子
準位である。

【００２２】このＴＢＱ構造体においては、エネルギバ
ンドギャップが大きい半導体層によって電位障壁７１が
形成され、エネルギバンドギャップが小さい半導体層に
よって幅が狭い量子井戸７２と幅が広い量子井戸７３が
形成されている。

【００２３】そして、ＴＢＱにおいては、量子効果によ
って３次元で縮退していた重い正孔と軽い正孔が分離す
るため、このエネルギバンド構造図に示されるように、
幅が狭い量子井戸７２の伝導帯には電子の量子準位７４
が形成され、その価電子帯には、重い正孔の量子準位７
５ａ（太線）と軽い正孔の量子準位７５ｂ（細線）が形
成され、幅が広い量子井戸７３の伝導帯には電子の量子
準位７６が形成され、その価電子帯には、重い正孔の量
子準位７７ａ（太線）と軽い正孔の量子準位７７ｂ（細
線）が形成されている。

【００２４】そして、量子井戸の正孔が電位障壁をトン
ネルする確率は、κ＝（２ｍＥ）^1/ ²／ｈとし、ｍを正
孔の有効質量、Ｅを正孔からみた電位障壁の高さ、Ｌ_B
を電位障壁の幅とすると、ｅｘｐ（−κＬ_B）の関係を
有し、この図に示されているように重い正孔の量子準位
はエネルギ的に低いレベルに形成されるから、重い正孔
からみた電位障壁Ｅが大きく、そのトンネル確率は極め
て低いものとなり、そのために半導体非線型光学装置の
透過率の回復が遅れることになる。

【００２５】上記のことから、現在要求されている高い
繰り返し動作を実現するために、幅が狭い量子井戸に残
留している重い正孔の緩和時間を短くする必要があるこ
と、および、そのためには、幅が狭い量子井戸の幅をさ
らに狭くして、重い正孔の量子準位を高くし、重い正孔
からみたトンネルすべき障壁の高さを低くしトンネル確
率を大きくすることが考えられる。

【００２６】また、透過率の回復を迅速化するため、上
記従来の半導体非線型光学装置の量子井戸層に平行に電
界を印加して電子、正孔を急速に掃き出すことによって
緩和時間を短縮する改良型半導体非線型光学装置が提案
されている。

【００２７】図１０は、従来の改良型半導体非線型光学
装置の構成説明図である。この図において、８１は基
板、８２はバッファ層、８３はエッチングストッパ層、
８４は超格子構造体、８５はｎ⁺領域、８６はｐ⁺領
域、Ｉ₁は被動作光、Ｉ₂は動作光、Ｉ₃は透過光であ
る。

【００２８】この改良型半導体非線型光学装置は、電子
および正孔がトンネルできる幅の電位障壁を構成するエ
ネルギバンドギャップが大きい半導体層（例えばＡｌＡ
ｓ、ＡｌＧａＡｓ）を、幅が狭い量子井戸を構成するエ
ネルギバンドギャップが小さい半導体層（例えばＧａＡ
ｓ）と、幅が広い量子井戸を構成するエネルギバンドギ
ャップが小さい半導体層（例えばＧａＡｓ）とで挟んだ
ＴＢＱ単位構造を複数周期積層した超格子構造の積層方
向の両側に反射鏡を具える光共振器構造を有している。

【００２９】そして、この半導体非線型光学装置は、Ｇ
ａＡｓ基板８１の上にバッファ層８２を成長し、その上
にエッチングストッパ層８３を成長し、その上に、エネ
ルギバンドギャップが大きい半導体層と、エネルギバン
ドギャップが小さい半導体層を所定の厚さで交互に分子
ビームエピタキシャル法（ＭＢＥ）等によって成長して
超格子構造体を形成し、ＧａＡｓ基板８１とバッファ層
８２の中央部を選択的にエッチングして受光面を形成し
て製造される。

【００３０】また、ｎ⁺領域８５とｐ⁺領域８６が、量
子井戸を構成するヘテロ接合面に平行な方向の両端に形
成され、この領域に電圧を印加することによってヘテロ
接合面に平行な電界をかけるようになっている。この装
置においては、ｎ⁺領域８５とｐ⁺領域８６の間に電圧
を印加し、この電圧によって形成される電界によって、
幅が狭い量子井戸層中に励起された電子や正孔、あるい
は、幅が広い量子井戸中にトンネルした電子、正孔を速
やかにドリフトさせて除去することを企図している。

【００３１】この半導体非線型光学装置においては、例
えば、ギャップが５μｍの電極間に励起子が解離しない
程度の電界（例えば、５ｍｅＶ／２００Å＝２．５ｋＶ
／ｃｍ）を印加し、正孔のドリフト速度を２×１０⁶ｃ
ｍ／ｓにすると、この量子井戸内におけるドリフト時間
は、従来の加速電界が印加されない場合にｎｓｅｃオー
ダーであったのに対して、２５０ピコ秒程度に短縮され
る。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
場合、幅が狭い量子井戸をさらに狭くして重い正孔の量
子準位を高くし、重い正孔がトンネルすべき障壁を低く
すると、光の吸収効率が幅が狭い量子井戸の幅に比例し
て低下するため、この層の幅を狭くすることには限界が
ある。

【００３３】そして後者の電界によって電子や正孔を急
速にドリフトさせて除去する試みについては、ヘテロ接
合に平行に高い電界をかけるため電極間の距離を短くす
ると、重い正孔のドリフト時間を短くすることができる
が、素子寸法が実用範囲より小さくなり信号強度の低下
を招くことになり、また、電子や正孔が量子井戸中をヘ
テロ接合の方向に移動する速度に限界があるため、緩和
時間を充分に短縮することはできなかった。

【００３４】本発明は、これらの従来技術における問題
点を除き、光の吸収効率が高く、動作光を照射した後の
透過率の回復が速い半導体非線型光学装置を提供するこ
とを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置半導
体非線型光学装置では、電子および正孔がトンネルでき
る幅の電位障壁を構成するエネルギバンドギャップが大
きい半導体層を、幅が狭い量子井戸を構成するエネルギ
バンドギャップが小さい半導体層と、幅が広い量子井戸
を構成するエネルギバンドギャップが小さい半導体層と
で挟み、その外側に電位障壁を構成するエネルギバンド
ギャップが大きい半導体層を配置した単位構造体を少な
くとも一つ有し、該幅が狭い量子井戸を構成する半導体
層の面内方向に伸長応力を含むか、或いは、該幅が狭い
量子井戸を構成する半導体層の面内方向に伸長応力を含
むと共に該幅が広い量子井戸を構成する半導体層の面内
方向に圧縮応力を含むＴＢＱ構造体を備えることを特徴
とする。

【００３６】そして、上記の場合、電位障壁を構成する
エネルギバンドギャップが大きい半導体層とエネルギバ
ンドギャップが小さい半導体層によって形成されるヘテ
ロ接合面に平行に電界を加えるための電極を付加するこ
ともできる。

【００３７】

【作用】ここで、本発明において使用する歪み超格子構
造の原理を説明する。図１は、歪み超格子構造の原理説
明図である。この図において、１は第１の半導体層、ａ
₁はその格子定数、２は第２の半導体層、ａ₂はその格
子定数である。

【００３８】図１において、格子定数ａ₁を有する厚い
第１の半導体材料層１の上に、ａ₁よりも小さい格子定
数ａ₂を有する第２の半導体層２を成長させた場合、第
２の半導体層２が或る程度厚いと、その成長界面に格子
定数の差に起因する転位が発生する。

【００３９】しかし、第２の半導体層２がある限度（臨
界膜厚）内で薄い場合は、第２の半導体層２に歪み応力
が生じることによって格子不整が吸収されて転位の発生
を抑制することができる。この例においては、ａ₁＞ａ
₂であるから、第２の半導体層２に矢印で示されるよう
な２軸伸長歪み応力が発生することになる。

【００４０】一方、超格子構造においては、前記のよう
に量子効果によって３次元で縮退していた重い正孔と軽
い正孔が分離する現象があり、さらに、これに加わる歪
み応力によって、重い正孔と軽い正孔の量子準位が変調
されること、および、この２軸歪み応力（ｂｉａｘｉａ
ｌｓｔｒａｉｎ）が、伸長（ｔｅｎｓｉｌｅ）である
か、圧縮（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ）であるかによっ
て、歪み応力の効果は逆になること、および、それが伸
長（ｔｅｎｓｉｌｅ）応力であると、量子井戸の価電子
帯に形成されている重い正孔の縦方向（ヘテロ接合に垂
直）の量子準位がエネルギ的に上昇し、軽い正孔の量子
準位がエネルギ的に低下すること、および、圧縮（ｃｏ
ｍｐｒｅｓｓｉｖｅ）応力であると、量子井戸の価電子
帯に形成されている重い正孔の横方向（ヘテロ接合に平
行）の量子準位がエネルギ的に上昇し、軽い正孔の量子
準位がエネルギ的に低下することが見出された。

【００４１】本発明によると、上記の歪み応力効果を用
いて正孔の量子準位を変調することにより、狭い量子井
戸に生じた正孔が電位障壁をトンネルして広い量子井戸
に移動する速度を高速化することができ、あるいは、こ
の歪み応力効果を用いることにより、電界によって電
子、正孔が量子井戸層中をヘテロ接合に平行に移動して
掃き出される速度を高速化することができる。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。（第１実施例）図２は、第１実施例の半導体非線型光学
装置の構成説明図である。この図において、１１はＩｎ
Ｐ基板、１２はバッファ層、１３はエッチングストッパ
層、１４は狭い量子井戸、１５は電位障壁層、１６は広
い量子井戸層、１７はキャップ層、Ｉ₁は被動作光、Ｉ
₂は動作光、Ｉ₃は透過光である。

【００４３】本実施例の半導体非線型光学装置は、前記
の歪み超格子構造体を利用したものであり、その構成
は、ＩｎＰ基板（００１）１１の上に、バッファ層１２
となるＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ（ｘ＝０．５３）を３０００
Å形成し、その上に、エッチングストッパ層１３として
Ｉｎ_1-xＡｌ_xＡｓ（ｘ＝０．５２）を２００Å形成
し、その上に、幅が狭い量子井戸を構成する半導体層
（狭い量子井戸層）１４であるＩｎ_1-xＧａ_xＡｓ（ｘ
＝０．５８、Δａ／ａ＝−０．８％Ｌ_Z＝２０原子
層）、電位障壁を構成する半導体層（電位障壁層）１５
であるＩｎ_1-yＡｌ_yＡｓ（ｙ＝０．３６、Δａ／ａ＝
＋０．８％Ｌ_B＝２０原子層）、幅が広い量子井戸を
構成する半導体層（広い量子井戸層）１６であるＩｎ
_1-zＧａ_zＡｓ（ｚ＝０．５８、Δａ／ａ＝−０．８％
Ｌ_Z＝３０原子層）、を一周期とする超格子構造（Ｔ
ＢＱ）を５０周期形成し、キャップ層１７としてＩｎ
_1-xＧａ_xＡｓ（ｘ＝０．５８）を１００Å形成して構
成されている。なお、上記の各層はＭＢＥ法により成長
され、すべてノンドープである。

【００４４】そして、受光面のＩｎＰ基板１１とバッフ
ァ層１２の中央部をエッチングストッパ層１３を使用し
て除去し、この部分における被動作光および動作光の吸
収を低減している。この装置の受光面に被動作光Ｉ₁と
動作光Ｉ₂を照射し、透過光Ｉ₃を出射するようになっ
ている。

【００４５】図３は、第１実施例のＴＢＱのエネルギー
バンド構造図である。この図において、２１は狭い量子
井戸、２２は電位障壁、２３は広い量子井戸、２４は狭
い量子井戸中の電子の量子準位、２５ａは狭い量子井戸
中の重い正孔の量子準位、２５ｂは狭い量子井戸中の軽
い正孔の量子準位、２６は広い量子井戸中の電子の量子
準位、２７は広い量子井戸中の正孔の量子準位である。

【００４６】この図には、電位障壁２２を挟んで、その
両側に、電子の量子準位２４、重い正孔の量子準位２５
ａ、軽い正孔の量子準位２５ｂを有する幅が狭い量子井
戸２１と、電子の量子準位２６と正孔の量子準位２７を
有する幅が広い量子井戸２３を配置したＴＢＱ構造体の
エネルギバンドが示されている。

【００４７】このエネルギバンド構造が、従来例を示す
図９のエネルギバンド構造と異なる点は、幅が狭い量子
井戸における重い正孔の量子準位２５ａと軽い正孔の量
子準位２５ｂが歪み応力効果によって逆転していること
である。なお、幅が広い量子井戸における重い正孔およ
び軽い正孔の量子準位は、この層内の応力歪みのかかり
方によって変動があり、変動があったとしても低レベル
を保つため、この図においては一つの準位２７で表現さ
れている。

【００４８】このエネルギバンド構造図にみられるよう
に、この実施例によると、幅が狭い量子井戸における重
い正孔の量子準位２５ｂが歪み応力効果によってエネル
ギ的に上昇（図の下方に移動）するため、幅が狭い量子
井戸の重い正孔からみた電位障壁の高さが、伸長応力が
かからない場合より小さくなる。前記のように、狭い量
子井戸の軽い正孔が電位障壁をトンネルする確率は、κ
＝（２ｍＥ）^1/2／ｈとし、ｍを正孔の有効質量、Ｅを
正孔からみた電位障壁の高さ、Ｌ_Bを電位障壁の幅とす
ると、ｅｘｐ（−κＬ_B）の関係を有するから、重い正
孔の障壁の高さＥが減少することによって、重い正孔の
トンネル確率が高くなり、透過率の回復の高速化に寄与
する。

【００４９】この場合に、幅が狭い量子井戸２１の軽い
正孔からみた電位障壁の高さは高くなるが、軽い正孔の
有効質量は重い正孔の数分の１であって、移動速度が元
々速いから、悪影響は格別問題にならず、正孔全体の電
位障壁をトンネルする時間は短縮される。

【００５０】なお、上記の説明から明らかなように、幅
が広い量子井戸２３を構成する半導体層には特に歪み応
力を加える必要はないが、使用する半導体の選択如何に
よっては狭い量子井戸２１と同様に幅が広い量子井戸２
３を構成する半導体層にも伸長歪み応力がかかる場合が
ある。

【００５１】その場合は、幅が狭い量子井戸２１と同様
に、幅が広い量子井戸の重い正孔の量子準位が上昇し、
軽い正孔の量子準位が低下することになるが、広い量子
井戸２３における上記の変動は狭い量子井戸２１におけ
る変動より格段に小さいから、本発明が目的としている
効果は充分に奏される。

【００５２】しかし、幅が狭い量子井戸２１の低下した
量子準位の軽い正孔が電位障壁をトンネルして幅が広い
量子井戸２３に落ちるためには、幅が広い量子井戸２３
の軽い正孔の量子準位を、幅が狭い量子井戸２１の軽い
正孔の量子準位より可能な限り低くしておくことが望ま
しいから、その関係が実現できるように使用する半導体
の組成を選択することが望ましい。

【００５３】また、格子の不整合が大きいと、エネルギ
的に不安定になり、装置の寿命を短縮することにもなる
から、ＴＢＱ構造全体の平均格子定数を基板の格子定数
に一致させて、格子の不整合を可能な限り緩和すること
が望ましい。

【００５４】なお、上記の本実施例とは逆に、被動作光
の波長を非共振条件（ｍ＋１）λ／２＝ｎＬが成り立
つように選定しておき、動作光を照射することによって
共振条件が成り立つように条件設定して、動作光によっ
て透過率を上げる動作を実現することも可能である。

【００５５】この場合の半導体非線型光学装置の透過率
の応答特性は図８に破線で示されているが、従来例（実
線）に比較して、動作光の照射を停止した後の透過率の
回復が迅速化している。

【００５６】（第２実施例）第１実施例において述べた
ように、量子井戸中では量子効果により縮退していた価
電子帯の重い正孔と軽い正孔が分離され、この量子井戸
のヘテロ接合の面内方向に伸長応力がかかると、ヘテロ
界面に垂直（縦）方向について、価電子帯の重い正孔の
量子準位がエネルギ的に上昇し、軽い正孔の量子準位が
エネルギ的に低下するために、装置の動作を律速してい
た重い正孔のトンネル確率を大きくすることができ、正
孔全体の平均的な電位障壁のトンネル確率を高くするこ
とができ、その結果透過率の回復を迅速化することがで
きる。

【００５７】この第２実施例の半導体非線型光学装置
は、第１実施例に加えて、広い量子井戸を構成する半導
体層に圧縮応力がかかると、広い量子井戸層の価電子帯
で、ヘテロ界面に横方向（面内方向）の重い正孔の量子
準位がエネルギ的に上昇し（図では下方に移動する）、
軽い正孔の量子準位がエネルギ的に下降する（図では上
方に移動する）現象を利用して透過率の回復を迅速化し
ようとするものである。

【００５８】この実施例の半導体非線型光学装置の構造
は第１実施例と同様であるから構造については図２を参
照して説明する。この実施例においては、幅が狭い量子
井戸を構成する半導体層１４として、層厚がＬｚ＝１５
原子層（ＭＬ）のＧａＡｓ_1-xＰ_x（ｘ＝０．２、Δａ
／ａ＝−０．７％）、幅が広い量子井戸を構成する半導
体層１６として層厚がＬｚ＝３０ＭＬのＩｎ_zＧａ_1-z
Ａｓ（ｚ＝０．０５、Δａ／ａ＝０．３６％）、電位障
壁を構成する半導体層１５として層厚がＬｂ＝１０ＭＬ
のＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｙ＝０．６）を積層したものを
１周期とする単位構造を５０周期（０１１）ＧａＡｓ基
板１１の上にガスソースＭＢＥにより成長して形成し
た。

【００５９】このガスソースＭＢＥにおいて、Ｇａソー
スとしてトリエチルガリウムを、Ａｌソースとしてトリ
メチルアミンアランを、Ｉｎソースとしてトリメチルイ
ンジウムを、Ａｓソースとしてアルシンを、Ｐソースと
してホスフィンを用い、成長温度は５５０℃にした。

【００６０】なお、バッファ層１２としてＧａＡｓを３
０００Å、エッチングストッパ層１３としてＡｌＡｓを
１００Å、キャップ層１７としてＧａＡｓを５０Å成長
して形成した。これらの半導体材料はすべてノンドープ
である。

【００６１】図４（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例のＴＢ
Ｑのエネルギバンド構造図である。図４（Ａ）は歪みが
かかっていないときのエネルギバンド、図４（Ｂ）は狭
い量子井戸に伸長応力がかかっている場合の正孔の縦方
向の量子準位、広い量子井戸に圧縮応力がかかっている
場合の正孔の量子準位を示している。

【００６２】この図において、３１は電位障壁、３２は
狭い量子井戸、３３は広い量子井戸、３４ａは狭い量子
井戸の重い正孔の縦方向の量子準位、３４ｂは狭い量子
井戸の軽い正孔の縦方向の量子準位、３５ａは広い量子
井戸の重い正孔の横方向の量子準位、３５ｂは広い量子
井戸の軽い正孔の横方向の量子準位である。

【００６３】量子井戸に歪み応力がかかっていない場合
は図４（Ａ）のように、狭い量子井戸３２においては、
重い正孔の縦方向の量子準位３４ａは軽い正孔の縦方向
の量子準位３４ｂよりエネルギ的に低い位置にあり、広
い量子井戸３３においては、重い正孔の横方向の量子準
位３５ａは軽い正孔の横方向の量子準位３５ｂよりエネ
ルギ的に低い位置にある。

【００６４】したがって、第１実施例に関連して説明し
たように、狭い量子井戸の重い正孔からみた電位障壁が
高いため、正孔平均のトンネル確率が低く、透過率の回
復が遅いという問題をもっている。また、広い量子井戸
において重い正孔の横方向の量子準位が低いため、重い
正孔と軽い正孔の平均的有効質量が大きく、そのため横
方向の移動度が低く、正孔が拡散し消滅する速度が遅い
という問題をもっている。

【００６５】これに対して、この狭い量子井戸のヘテロ
接合の面内方向に伸長応力がかかり広い量子井戸のヘテ
ロ接合の面内方向に圧縮応力がかかっている場合は、図
４（Ｂ）に示されているように、狭い量子井戸におい
て、価電子帯の重い正孔の量子準位がエネルギー的に上
昇し、軽い正孔の量子準位がエネルギー的に下降し、広
い量子井戸においては、価電子帯の重い正孔の量子準位
がエネルギー的に上昇し、軽い正孔の量子準位がエネル
ギー的に下降する。

【００６６】また、この時、狭い量子井戸の軽い正孔の
量子準位に下降する（軽い正孔は有効質量が文字通り小
さいためトンネル確率が増大する。）。よって、軽い正
孔の量子準位からトンネルする正孔が増え、トンネル確
率が増大する。

【００６７】この際、ヘテロ接合に垂直な縦方向につい
ては、第１実施例において説明したように、狭い量子井
戸の軽い正孔の量子準位３４ｂは、広い量子井戸の軽い
正孔の量子準位３５ｂより高く保たれ、かつ、狭い量子
井戸において重い正孔の量子準位が上昇して、トンネル
すべき電位障壁が小さくなるためトンネル確率が増大
し、結果的に透過率の回復が迅速化される。

【００６８】また、広い量子井戸を構成する半導体に圧
縮応力（ｂｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔ
ｒａｉｎ）がかかり、重い正孔のヘテロ接合に沿う横方
向の量子準位３５ａがエネルギ的に上昇し、軽い正孔の
横方向の量子準位３５ｂがエネルギ的に下降するため、
重い正孔と軽い正孔の有効質量の荷重平均が小さくな
り、広い量子井戸に沿って迅速に拡散して消滅するから
透過率の回復は広い量子井戸に圧縮応力がない場合に比
べて迅速化する。また、第３実施例において触れるよう
に、ヘテロ接合に平行に電界を印加すると、広い量子井
戸の正孔は圧縮応力がない場合に比べてドリフト速度が
大きくなり、より迅速に掃き出される。

【００６９】この実施例の半導体非線型光学装置の透過
率の時間的変化を、１ピコ秒の時間幅を有する７１０ｎ
ｍの色素パルスレーザを用いて測定した結果、透過率の
回復時間が大幅に短縮されたことが判った。

【００７０】

【００７１】ここで、半導体非線型光学装置に使用する
材料について説明する。半導体非線型光学装置の基板と
してＩｎＰを用いると、この材料のバンドギャップか
ら、この装置の被動作光あるいは動作光の光源として１
μｍ帯の短パルスを用いることになるが、この波長帯の
短パルスを発生するレーザ装置を得るのは困難であっ
た。

【００７２】これに反して、この実施例のように、基板
としてＧａＡｓを用いた場合は、狭い量子井戸にｂｉａ
ｘｉａｌｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒａｉｎをかけるため
に、格子定数の関係から狭い量子井戸としてＧａＡｓＰ
を用いることになり、この材料のバンドギャップがＧａ
Ａｓよりも大きくなり、そのために、被動作光や動作光
として近赤外から赤にわたる波長、例えば波長０．８〜
０．７μｍの光を用いることになり、容易に得られる近
赤外〜赤の帯域の短パルスレーザ装置を使うことができ
るため、半導体非線型光学装置の動作調整等が容易に行
うことができるメリットが生じる。

【００７３】しかし、このように基板としてＧａＡｓを
用い、狭い量子井戸としてＰ（りん）を含んだ材料（例
えばＧａＡｓＰ）を気相成長してＴＢＱを構成する場
合、Ｐの蒸気圧が高いため、Ｐ原子単体として結晶成長
に加わる分子ビームエピタキシャル法（ＭＢＥ）によっ
て所望の組成の層を得ることは困難である。

【００７４】この問題を回避するため、Ｐが化合物とし
て結晶成長に加わるガスソース分子ビームエピタキシャ
ル法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、
原子層エピタキシャル法（ＡＬＥ）等によって成長を行
うことが望ましい。また、上記の説明は価電子帯に向け
られていたが、伝導帯について考えると、ＧａＡｓＰの
組成を、電子の量子準位が間接遷移バンドより低エネル
ギ側になるように選び、電子が間接遷移バンドにトラッ
プされて効率が低下するのを防ぐとともに、動作速度が
阻害されるのを防ぐことが必要である。

【００７５】（第３実施例）図５は、第３実施例の半導
体非線型光学装置の構成説明図である。この図におい
て、４１はＩｎＰ基板、４２はバッファ層、４３はエッ
チングストッパ層、４４は狭い量子井戸層、４５は電位
障壁層、４６は広い量子井戸層、４７はキャップ層、４
８はｎ⁺領域、４９はｐ⁺領域、２０は電源、Ｉ₁は被
動作光、Ｉ₂は動作光、Ｉ₃は透過光である。

【００７６】本実施例の半導体非線型光学装置は、Ｉｎ
Ｐ基板４１の上に、バッファ層４２、エッチングストッ
パ層４３を形成し、その上に、狭い量子井戸層４４を構
成する半導体層と、電位障壁層を構成する半導体層４５
と、広い量子井戸層を構成する半導体層を一周期とする
超格子構造を５０周期形成し、その上にキャップ層４７
を積層して形成されている。

【００７７】そして、受光面のＩｎＰ基板４１とバッフ
ァ層４２の中央部をエッチングストッパ層４３を使用し
て除去し、この部分における被動作光および動作光の吸
収を低減している。この装置の受光面に被動作光Ｉ₁と
動作光Ｉ₂を照射し、透過光Ｉ₃を出射するようになっ
ている。そしてまた、この実施例においては、電位障壁
と量子井戸を構成する半導体層の面方向の両側にｎ⁺領
域４８とｐ⁺領域４９を形成し、その間に電源５０の電
圧を印加して、ヘテロ界面に平行に電界を形成してい
る。

【００７８】図６は、第３実施例のＴＢＱのエネルギバ
ンド構造図である。この図において、５１は狭い量子井
戸、５２は電位障壁、５３は広い量子井戸、５４は狭い
量子井戸中の電子の量子準位、５５ａは狭い量子井戸中
の重い正孔の量子準位、５５ｂは狭い量子井戸中の軽い
正孔の量子準位、５６は広い量子井戸中の電子の量子準
位、５７は広い量子井戸中の正孔の量子準位、５８は電
源である。

【００７９】この図には、電位障壁５２を挟んで、その
両側に、電子の量子準位５４、重い正孔の量子準位５５
ａ、軽い正孔の量子準位５５ｂを有する幅が狭い量子井
戸５１と、電子の量子準位５６と正孔の量子準位５７を
有する幅が広い量子井戸５３を配置したＴＢＱ構造のエ
ネルギバンドが模式的に示されている。

【００８０】この実施例においては、図６のエネルギバ
ンド構造図に示されているように、正孔の実効的な有効
質量が軽くなるため、幅が狭い量子井戸および幅が広い
量子井戸内の電子や正孔が、電源５８の電圧によって形
成された電界によってヘテロ接合に平行に加速されて急
速に掃き出され、第１実施例の装置より速い透過率の回
復が実現できる。

【００８１】また、第２実施例の半導体非線型光学装置
にこの実施例の加速電極を付加するときは、上記と同様
に狭い量子井戸および広い量子井戸内の電子や正孔のヘ
テロ接合に沿う移動を加速するため、透過率の回復がさ
らに高速化する。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
光の吸収効率が高く、動作光を照射した後の透過率の回
復が速い半導体非線型光学装置を実現することができる
ため、光通信、光論理回路等の技術分野において寄与す
るところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】歪み超格子構造の原理説明図である。

【図２】第１実施例の半導体非線型光学装置の構成説明
図である。

【図３】第１実施例のＴＢＱのエネルギーバンド構造図
である。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例のＴＢＱのエネ
ルギバンド構造図である。

【図５】第３実施例の半導体非線型光学装置の構成説明
図である。

【図６】第３実施例のＴＢＱのエネルギバンド構造図で
ある。

【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、従来の半導体非線型光学装
置の一例の説明図である。

【図８】半導体非線型光学装置の透過率応答特性図であ
る。

【図９】従来のＴＢＱ構造体のエネルギバンド構造図で
ある。

【図１０】従来の改良型半導体非線型光学装置の構成説
明図である。

【符号の説明】

２１狭い量子井戸２２電位障壁２３広い量子井戸２４狭い量子井戸中の電子の量子準位２５ａ狭い量子井戸中の重い正孔の量子準位２５ｂ狭い量子井戸中の軽い正孔の量子準位２６広い量子井戸中の電子の量子準位２７広い量子井戸中の正孔の量子準位

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/355 501 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子および正孔がトンネルできる幅の電位
障壁を構成するエネルギバンドギャップが大きい半導体
層を、幅が狭い量子井戸を構成するエネルギバンドギャ
ップが小さい半導体層と、幅が広い量子井戸を構成する
エネルギバンドギャップが小さい半導体層とで挟み、そ
の外側に電位障壁を構成するエネルギバンドギャップが
大きい半導体層を配置した単位構造体を少なくとも一つ
有し、該幅が狭い量子井戸を構成する半導体層の面内方
向に伸長応力を含むＴＢＱ構造体を備えることを特徴と
する半導体非線型光学装置。
【請求項２】電子および正孔がトンネルできる幅の電位
障壁を構成するエネルギバンドギャップが大きい半導体
層を、幅が狭い量子井戸を構成するエネルギバンドギャ
ップが小さい半導体層と、幅が広い量子井戸を構成する
エネルギバンドギャップが小さい半導体層とで挟み、そ
の外側に電位障壁を構成するエネルギバンドギャップが
大きい半導体層を配置した単位構造体を少なくとも一つ
有し、該幅が狭い量子井戸を構成する半導体層の面内方
向に伸長応力を含み、かつ、該幅が広い量子井戸を構成
する半導体層の面内方向に圧縮応力を含むＴＢＱ構造体
を備えることを特徴とする半導体非線型光学装置。
【請求項３】基板としてＧａＡｓを用い、狭い量子井戸
を構成するエネルギバンドギャップが小さい半導体層と
して、ガスソースＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＡＬＥのいずれ
か一つの結晶成長法によって形成されたりん（Ｐ）を含
む化合物半導体材料を用いたことを特徴とする請求項１
或いは請求項２記載の半導体非線型光学装置。
【請求項４】電位障壁を構成するエネルギバンドギャッ
プが大きい半導体層とエネルギバンドギャップが小さい
半導体層によって形成されるヘテロ接合面に平行に電界
を加えるための電極を備えることを特徴とする請求項１
ないし請求項３のいずれか一つに記載の半導体非線型光
学装置。